考慮混合儲能調頻死區的自適應下垂控制策略*

方紅艷 馬 平

考慮混合儲能調頻死區的自適應下垂控制策略*

方紅艷 馬 平

(青島大學電氣工程學院 青島 266071)

為了優化混合儲能參與電網一次調頻，提出一種考慮混合儲能調頻死區的自適應下垂控制策略。采用超級電容和蓄電池組成的混合儲能設備，根據各儲能元件的特點，為了充分發揮其作用，將混合儲能的調頻死區設置在火電機組死區內，超級電容的調頻死區設置在蓄電池死區內，不僅能提高調頻效果，還能有效減少火電機組動作次數；基于Logistic函數，建立儲能設備荷電狀態(State of charge, SOC)與下垂系數的關系，利用自適應下垂控制策略參與電網一次調頻，有效防止儲能設備發生過充或過放現象；最后利用Matlab/Simulink進行仿真分析，結果證明該控制策略可以有效提高調頻效果，改善頻率質量，穩定儲能設備荷電狀態。

混合儲能；調頻死區；一次調頻；自適應下垂控制；荷電狀態

1 引言

近年來，隨著可再生能源的開發利用，其發電技術突飛猛進，但所產生的電能具有隨機性和波動性，當大規模并入電網時，將對系統頻率穩定造成嚴重影響[1-2]。電網要求發電系統在并網后具有一定的調頻能力，因此需要借助調頻手段進行頻率調整[3]。

目前針對可再生能源發電的調頻手段主要有兩種，其一是通過對可再生能源自身的控制進行頻率調整，雖然能達到一定的調頻效果，但該方法調頻范圍較小，且會產生一定的能量損失[4-5]。其二是通過增加儲能設備進行調頻，文獻[6-9]在傳統調頻控制策略的基礎上，根據儲能設備的荷電狀態(State of charge, SOC)特點對控制策略進行改進，提高儲能設備的調頻能力，但此改進策略只針對單一的儲能設備，無法充分利用各儲能的優勢。隨著對混合儲能的深入研究，文獻[10-14]采用單一的傳統控制策略參與調頻，雖然此策略容易實現，但無法達到最優的調頻效果。文獻[15-17]混合儲能采用兩種控制策略相結合的方式進行調頻，雖然能更好地滿足調頻需要，但實際應用較困難，且其中的控制策略均為傳統方式。文獻[18-19]根據混合儲能的SOC情況進行控制策略的改進，使混合儲能得到充分利用，并根據SOC值對下垂系數進行調整，達到更好的調頻效果且能延長儲能設備的壽命，但SOC與下垂系數間呈線性關系，使儲能在SOC臨界狀態發生過充或過放現象。上述文獻均未考慮儲能調頻死區，文獻[20]僅對單一儲能的調頻死區進行了研究，但對混合儲能的調頻死區研究少之又少。

綜合以上分析，本文采用超級電容和蓄電池組成的混合儲能參與一次調頻。通過試驗研究，設置恰當的混合儲能調頻死區，充分發揮各自的作用。基于Logistic函數分析SOC對超級電容與蓄電池下垂系數的影響，采用自適應下垂控制策略，在縮小頻率偏差的同時，穩定儲能設備荷電狀態，提高使用壽命。最后對階躍擾動和連續擾動進行仿真，針對階躍擾動對調頻效果以及頻率惡化進行定量分析，針對連續擾動，對調頻效果及SOC維持效果進行綜合評價，結果表明本文控制策略的有效性。

2 混合儲能參與一次調頻的仿真模型

目前大部分風機都無法自然響應頻率變化，同時水電參與調頻的備用容量較小，所以本文不考慮風電和水電的一次調頻作用。但風電對電網頻率影響較大，本文將風電出力加入到負荷波動中進行分析。

混合儲能參與一次調頻的仿真模型如圖1所示，其中主要包括火電機組調頻模型和混合儲能調頻模型。兩種模型均能通過頻率反饋通道檢測頻率的變化，根據頻率偏差調整自身出力，后將有功功率增量疊加至有功功率控制環，由圖1可得頻率變化量與各機組有功功率增量關系的復頻域表達式為

式中，ΔP()表示火電機組有功功率增量；ΔP()表示儲能設備有功功率增量；ΔP()表示系統負荷的變化量；Δ()表示電網頻率的變化量；表示電網慣性時間常數；表示負荷阻尼系數。

調頻設備的傳遞函數方程為

式中，()表示火電機組調速器的傳遞函數，()、()分別表示超級電容和蓄電池的傳遞函數，表達式如下

式中，K、T分別表示火電機組的單位調節功率系數和轉速變換時間；K、K、T、T分別表示超級電容、蓄電池的單位調節功率系數和功率轉換時間常數；F表示汽輪機再熱器增益；T表示再熱器時間常數；T表示汽輪機時間常數。

應用此仿真模型，對混合儲能參與一次調頻控制策略進行研究，是本文的研究重點。

圖1 混合儲能參與一次調頻仿真模型

3 混合儲能參與一次調頻死區設置及控制策略

為了使系統在頻率波動較小的情況下減少機組響應次數，本文通過對超級電容和蓄電池設置相應的調頻死區，并根據儲能設備的SOC值采用自適應下垂系數的控制策略，研究混合儲能對頻率調整的有效性。

3.1 混合儲能的調頻死區

如圖2所示，考慮儲能的過充及過放問題，分別設置SOCmin及SOCmax，其中蓄電池的SOC閾值為SOCB,min=0.2，SOCB,max=0.8；超級電容的閾值為SOCSC,min=0.1，SOCSC,max=0.9。當儲能位于各自的調頻死區內時，不參與調頻，此時根據自身的情況進行SOC恢復，達到最佳狀態，為下一輪調頻做好準備。根據儲能SOC以及各調頻死區的設定，將儲能的動作范圍進行分區。

圖2 基于調頻死區和SOC的儲能工作區域

3.2 混合儲能的自適應下垂系數

虛擬下垂控制是儲能參與調頻的經典控制策略，為了實現對儲能的保護，對儲能的下垂系數進行修正，根據儲能元件的SOC情況改變下垂系數，這種方法稱為自適應下垂控制，本文采用此方法對儲能進行出力控制。

本文中儲能設備的單位調節功率與SOC的關系基于Logistic函數，此函數初始階段大致呈指數增長，隨著逐漸飽和，增加速度減慢，到一定程度后停止增長，并穩定在某一值。其表達式為

基于Logistic函數儲能設備的單位調節功率與SOC的關系表達式如下。

圖4 P01=0.01，n1=15時KSC-SOC的關系

采用此方法進行下垂系數的確定，不但算法簡單，而且容易實現，同時可以有效地預防儲能設備在SOC臨界閾值發生過充過放。

圖6 P02=0.01，n2=20時KB-SOC的關系

綜合上文的分析，混合儲能控制部分如圖7所示，本文提出的混合儲能參與調頻控制策略流程圖如圖8所示。

圖7 混合儲能控制方法

圖8 混合儲能控制策略流程圖

4 仿真分析

基于Matlab/Simulink平臺進行仿真，為了能更好地反映出混合儲能參與一次調頻的優勢，且不需要考慮經濟性，將儲能設備的功率和容量設置較大，超級電容1 MW/0.6 MW·h，蓄電池0.1 MW/1 MW·h。仿真過程中各參數設置如表1所示。

表1 仿真參數設置

4.1 混合儲能調頻死區設置仿真分析

為合理設置混合儲能調頻死區，對超級電容和蓄電池的死區設置進行分析研究。

4.1.1 調頻評價指標

4.1.2 2 min連續負荷擾動仿真分析

為驗證混合儲能不同調頻死區設置對調頻效果的影響，選擇本文提出的自適應下垂控制策略進行一次調頻，并分別設置超級電容與蓄電池的調頻死區，具體設置如下。當超級電容調頻死區為火電機組死區的20%(簡稱超級電容為20%DB)時，蓄電池死區設置為火電機組的20%、40%、60%、80%、100%(分別簡稱為20%DB、40%DB、60%DB、80%DB、100%DB)；其余幾種死區設置與此類似。在混合儲能參與電網一次調頻的模型中，加入圖9所示的連續負荷擾動，對應的頻率偏差曲線如圖10a～10e所示，調頻評價指標如 表2所示。

圖9 2 min連續負荷擾動變化曲線

表2 混合儲能不同調頻死區組合下調頻評價指標

由圖10可知，當超級電容的死區一定時，蓄電池的調頻死區設置的越小，頻率偏差越小，調頻效果越好。同時兩者的調頻死區差距越大，頻率偏差越大。當負荷擾動變化較小時，各調頻死區間頻率偏差較小，該特點在擾動為0附近尤其明顯，這證明當負荷擾動較小時，調頻死區的設置對頻率調整效果不明顯。當蓄電池的調頻死區相同時，隨著超級電容調頻死區的增大，頻率偏差在增大，且隨著蓄電池調頻死區的增大，偏差越大。

分析表2數據可知，當蓄電池的調頻死區小于等于60%DB時，火電機組不出力，此時主要由混合儲能進行調頻，對儲能設備的容量配置要求較高，經濟性較差。當超級電容死區一定時，隨著蓄電池調頻死區的增大，超級電容的SOC偏差增大，蓄電池的SOC偏差減小，表明在負荷擾動的過程中，兩者的調頻死區差距越大，超級電容需要調頻的范圍增加，出力也隨之增加，導致其SOC偏差加大。此時，由于超級電容優先放電使頻率偏差減小，同時火電機組也參與一部分調頻，所以蓄電池出力較少，SOC偏差較小。超級電容先于蓄電池動作，將頻率調整到蓄電池死區內，減少蓄電池的充放電次數，可延長其使用壽命。當儲能設備調頻死區與火電機組相同時，火電機組的出力時間比例明顯高于其他調頻死區，均為50%以上，所以應將混合儲能各自的調頻死區設置在火電機組死區內，此時，儲能設備先于火電機組出力，將火電機組調頻死區附近的頻率調節至機組死區內，可以有效地減少機組出力時間，仿真數據支持第3.1節中所提假設。在設置混合儲能調頻死區時，死區不宜過大，否則增加火電機組出力的同時也無法彌補其頻率響應較慢的缺陷，混合儲能調頻失去意義；死區也不宜過小，小幅度的高頻負荷波動會被電力系統的機械慣性環節與濾波器所吸收，儲能不需要平抑這類擾動，避免影響儲能設備的運行經濟性。

綜上所述，結合超級電容動作速度快以及充放電次數對壽命影響小的優點，將超級電容調頻死區設置得適當小于蓄電池的調頻死區。由于火電機組死區附近小幅度的高頻隨機波動，使得機組頻繁動作，影響運行穩定性，提高運行成本，儲能設備的調頻死區應適當小于火電機組的調頻死區。所以，本文選取超級電容的調頻死區為40%DB，蓄電池的調頻死區為80%DB，此調頻死區的組合在頻率偏差滿足要求的同時，能使混合儲能的SOC偏差較小，且火電機組出力時間較短，出力較小。

4.2 混合儲能參與一次調頻控制策略仿真分析

圖11 0.05 p.u.階躍擾動下頻率偏差曲線

表3 階躍擾動下對應調頻指標

在0.05 p.u.階躍擾動下，由圖11及表3可以看出，本文控制策略最大頻率偏差值小于無儲能和現有控制策略，最終達到的穩態頻率偏差比另外兩種控制策略小，且在調頻過程中，本文控制策略的頻率偏差值變化較平滑，所以本文的調頻效果優于另外兩種。比較達到最大頻率偏差值的時刻，本文的控制策略比無儲能的時刻早，但比現有控制策略晚，這是因為本文控制策略的下垂系數需要根據儲能的SOC情況進行系數調整，此過程需要消耗一定的時間，但達到頻率偏差穩定值的時間早于現有控制策略。比較頻率惡化速率發現本文控制策略比另外兩種小，說明本文控制策略維持電網頻率能力較強。綜上所述，本文控制策略對階躍擾動引起的頻率變化有較好的調頻效果以及較強的維持電網頻率的能力。

5 結論

本文提出一種考慮混合儲能調頻死區的自適應下垂控制策略，結論如下。

(1) 當超級電容調頻死區為(49.986 8 Hz，50.013 2 Hz)，蓄電池調頻死區為(49.973 6 Hz，50.026 4 Hz)時，能夠有效減少火電機組參與調頻的時間以及出力大小，同時能使超級電容及蓄電池的SOC更加穩定，提高運行經濟性。

(2) 該控制策略充分體現了超級電容和蓄電池各自的優點，并充分發揮了混合儲能參與電網調頻的作用。考慮混合儲能SOC約束，采用基于Logistic函數的自適應下垂控制，有效提高了調頻效果。

本文工作為今后進一步深入研究混合儲能參與電網調頻奠定基礎，儲能調頻死區與儲能的類型密切相關，本文只是選取了較為常見的超級電容與蓄電池的組合，因此在混合儲能調頻死區設定方面，其與火電機組旋轉備用容量間的關系仍有很大的研究價值；混合儲能高昂的成本阻礙其大規模參與電網調頻，所以根據實際情況進行混合儲能優化配置也將是今后的研究工作之一。

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Adaptive Droop Control Strategy Considering Frequency Modulation Dead Band of Hybrid Energy Storage

FANG Hongyan MA Ping

(College of Electric Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071)

In order to optimize the hybrid energy storage participating in the primary frequency regulation of power grid, an adaptive droop control strategy considering the dead band of hybrid energy storage is proposed. According to the characteristics of each energy storage element, in order to give full play to its role, the frequency regulation dead zone of the hybrid energy storage is set in the thermal power unit, and the frequency regulation dead zone of the super capacitor is set in the battery, which can not only improve the frequency regulation effect, but also effectively reduce the frequent action of the thermal power unit. Then, based on the Logistic function, the relationship between the state of charge (SOC) of energy storage equipment and the droop coefficient is established, and the adaptive droop control strategy is used to participate in the primary frequency regulation of power grid, to effectively prevent the energy storage equipment from overcharging or discharging; Finally, Matlab/Simulink is used for simulation, and the results show that the proposed control strategy can effectively improve the frequency regulation effect, improve the frequency quality and stabilize the state of charge of energy storage equipment.

Hybrid energy storage；dead band；primary frequency regulation；adaptive droop control；state of charge

10.11985/2021.04.027

TM732

* 2016年智慧青島建設工作計劃重點資助項目。

20210508收到初稿，20210618收到修改稿

方紅艷，女，1995年生，碩士研究生。主要研究方向為電力系統分析與控制。E-mail：819962276@qq.com

馬平，女，1973年生，博士，副教授。主要研究方向為電力系統分析與控制。E-mail：qdumaping @163.com